電池健康狀態(tài)的中國專利技術(shù)分析

孟 欣,金 鵬

(1.知識產(chǎn)權(quán)出版社,北京 100081;2.北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,北京 100144;3.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100144)

電池健康狀態(tài)(SOH)可用來表示當前電池相對于新電池存儲電能的能力,可定量描述當前電池的性能狀態(tài),常以百分數(shù)的形式表示。人們對SOH有多種定義,概念上不統(tǒng)一,目前SOH的定義主要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等幾個方面[1]。涉及鋰離子電池的相關(guān)技術(shù),尤其是SOH估算技術(shù),正在成為研究的主要方向。專利文獻作為體現(xiàn)科研機構(gòu)和企業(yè)研究開發(fā)活動的重要載體,能客觀反映行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點、熱點問題、發(fā)展動態(tài)和趨勢。專利分析已成為一種重要的情報與信息分析手段[2]。

本文作者通過對我國SOH估算技術(shù)的專利申請進行系統(tǒng)分析,探討我國SOH估算技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

文中涉及的所有數(shù)據(jù),都來源于國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析平臺,檢索時間為2021年1月4日,檢索范圍為截至檢索時間內(nèi)的所有中國專利(包括港澳臺地區(qū))。在發(fā)明名稱中用“SOH OR健康狀態(tài)”+“電池”關(guān)鍵字進行檢索,并進行數(shù)據(jù)整理和分類收集,最終篩選出涉及SOH估算技術(shù)的專利申請共366件。

采用專利計量學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和專家咨詢法等方法,統(tǒng)計分析專利申請類型、數(shù)量、區(qū)域、申請人的機構(gòu)和技術(shù)領(lǐng)域分類號等字段,從專利角度研究SOH估算技術(shù)的創(chuàng)新趨勢、申請人區(qū)域及技術(shù)領(lǐng)域分布等情況。

專利申請到專利公開一般有滯后期,因此2019年9月以后的數(shù)據(jù)僅供參考[3]。

2 專利申請情況分析

2.1 專利類型情況

在檢索到的366件專利申請中,發(fā)明專利共有349件,占專利申請總量的95.36%;實用新型專利共有16件,占申請總量的4.37%;外觀設(shè)計專利共有1件,占0.27%。

2.2 專利申請量分析

第一件與SOH估算技術(shù)相關(guān)的專利申請出現(xiàn)在2006年,下面將主要針對2006～2020年的檢索數(shù)據(jù)進行分析。在該時間范圍內(nèi),檢索到的SOH相關(guān)的專利申請共366件。

SOH專利申請量年度分布情況見圖1。

圖1 SOH專利申請量年度分布Fig.1 Annual distribution of SOH patent application

從圖1可知,從2006年有SOH估算技術(shù)相關(guān)專利申請開始,經(jīng)過3個發(fā)展期:①停滯發(fā)展期(2006—2011年),專利年申請量較低,在此期間專利申請共11件,占總申請量的3.01%;②緩慢發(fā)展期(2012—2015年),每年申請量不超過25件,在此期間專利申請共65件,占總申請量的17.76%;③快速發(fā)展期(2016—2020年),每年申請量多于30件,在此期間專利申請共290件,約占全部申請量的79.23%。

專利申請量最多的年份是2019年,達到95件,2020年有所回落。2017年申請量同比增長48.48%,增長幅度最大,共增長了16件,原因是2016年國家出臺了關(guān)于新能源汽車的利好政策,刺激了電動汽車領(lǐng)域的研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,其中包括關(guān)于電池SOH估算技術(shù)的研究。

2.3 專利申請區(qū)域分析

因為每項專利申請的申請人數(shù)量大于等于1人次,所以在366件專利申請中,經(jīng)過核算申請人的申請次數(shù),申請人次總量為438人次。

圖2為申請人的專利申請區(qū)域分布。

圖2 專利申請區(qū)域分布Fig.2 Regional distribution of patent application

從圖2可知:①北京市申請共77人次,居區(qū)域申請量第1位,占比為17.58%,申請人主要涉及國家電網(wǎng)公司、清華大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院有限公司和北京新能源汽車股份有限公司等;②廣東省以70人次居第2位,占比為15.98%,申請人主要涉及華為技術(shù)有限公司、惠州市億能電子有限公司和深圳市沃特瑪電池有限公司等企業(yè)機構(gòu);③江蘇省以37人次居第3位,占比為8.45%,申請人主要涉及江蘇大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校。

排名前三的3個省市廣東省、江蘇省和北京市各自的專利申請情況,是最有代表性的3種典型發(fā)展方式:①以公司企業(yè)為主;②以高校和科研單位為主;③以高校、科研單位和公司企業(yè)齊頭并進。

2.4 專利申請人分析

2.4.1 專利申請人機構(gòu)屬性分析

在438人次的申請中,各類企業(yè)申請共272人次,占比為62.10%;大專院校申請共125人次,占比為28.54%;科研單位申請共30人次,占比為6.85%;個人申請9人次,占總量的2.05%;機關(guān)團體申請2人次,占比為0.46%。

各類企業(yè)的申請量占全部申請人次總量的60%以上,表明在近幾年來,尤其是2016年,新能源汽車市場一片利好,各企業(yè)加大了對電池技術(shù)的研發(fā)力度,且非常重視知識產(chǎn)權(quán)的保護,努力通過提升自身的科技創(chuàng)新能力和技術(shù)水平來為企業(yè)贏得核心競爭力,并已成為新能源汽車電池SOH估算技術(shù)創(chuàng)新的中堅力量。各大專院校、研究機構(gòu)等也紛紛與企業(yè)進行校企合作,共同開發(fā)新能源汽車電池技術(shù)。

2.4.2 專利申請數(shù)量前13名具體情況分析

對全部366件專利申請的438申請人次進行分析和比對,剔除掉實用新型專利和外觀專利后,篩選出申請量排名前13的申請人,共涉及77件專利、92人次,占申請總量的21.04%,占總共申請人次的21.00%,具體情況見表1。

表1 專利申請數(shù)量前13名具體情況Table 1 Specific cases of top 13 patent applications

從表1可知,在申請數(shù)量排名前13的單位中,有5家高校,分別是清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、江蘇大學(xué)和重慶郵電大學(xué);有8家企業(yè),分別是國家電網(wǎng)公司、中國電力科學(xué)研究院、華為技術(shù)有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、安徽江淮汽車集團股份有限公司、安徽銳能科技有限公司、惠州市億能電子有限公司和鄭州宇通客車股份有限公司。

從專利申請人的情況可以看出,對電池SOH估算技術(shù)比較關(guān)注的主要是高校、企業(yè)和電力系統(tǒng)。這符合電池的應(yīng)用領(lǐng)域和國家的發(fā)展戰(zhàn)略。從申請數(shù)量上看,企業(yè)的申請人次為60件,占比超過一半。市場是最大的推動力,隨著分布式儲能系統(tǒng)和電動汽車的發(fā)展,關(guān)鍵技術(shù)的掌握與企業(yè)市場地位息息相關(guān),企業(yè)若想取得發(fā)展,必須從技術(shù)著手。

2.5 技術(shù)領(lǐng)域分析

國際專利分類(IPC)可從一定程度上反映技術(shù)的集中點和研究熱點。

根據(jù)IPC分類號進行歸納分析,得到的專利申請主要技術(shù)領(lǐng)域分析情況見圖3。

圖3 專利申請主要技術(shù)領(lǐng)域分析Fig.3 Major technical fields analysis of patent application

由于每件專利不止一個IPC分類號,經(jīng)對全部366件專利的IPC分類號進行統(tǒng)計后,得IPC分類號總數(shù)為429件。從圖3可知,涉及G01(測量;測試),主要是G01R(測量電變量),此類專利329件,占76.69%;涉及G06(計算;推算;計數(shù)),主要是G06F、G06N(數(shù)字數(shù)據(jù)處理;基于生物學(xué)模型的計算機系統(tǒng)),此類專利37件,占8.62%;涉及B60(一般車輛),主要是B60L(電動車輛電池的充電和控制),此類專利22件,占5.13%;涉及H01(基本電氣元件),主要是H01M(二次電池及制造),此類專利21件,占4.90%;涉及H02(發(fā)電、變電或配電),主要是H02J(電池組的充電和供電),此類專利16件,占3.73%;其他的專利共4件,占0.93%。

近10年SOH專利申請前5項技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩康脑鲩L趨勢見圖4。

圖4 主要技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔莘治鯢ig.4 Trend analysis of patent application in themajor technical fields

從圖4可知,只有G01專利數(shù)量眾多并增長迅速。G01專利2010年前發(fā)展遲緩,從2010年后開始迅猛增長,并于2019年達到峰值94件,2020年有一個小的回落,原因是部分2020年申請的專利還未進行公布。涉及B60、G06、H01和H02的專利申請,數(shù)量則增長緩慢。

3 技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

3.1 SOH估算方法介紹

SOH的估算方法主要有離線法和在線法。

3.1.1 離線法

離線法是將電池從使用環(huán)境中取出,然后使用專門的設(shè)備進行分析的方法[4]。離線法有完全充放電法、阻抗分析法和化學(xué)分析法等,目前也有研究者用超聲波等方法進行電池SOH的分析和估計。

離線法的缺點是需要將電池從使用環(huán)境中分離出來,單獨進行非破壞性甚至破壞性的實驗,時間較長,影響電池的使用,無法對電池的使用過程進行保護[5]。

3.1.2 在線法

在線法是在電池的使用環(huán)境下,對電池的SOH進行實時估算的方法[6]。在線法不影響電池的正常工作狀態(tài),能夠?qū)崟r提供SOH數(shù)據(jù),提高電池使用的安全性,因此成為目前研究的重點和熱點。在線法有查表法、曲線擬合法、容量增量法、特征參數(shù)法和數(shù)據(jù)驅(qū)動法等[7]。

在線法的缺點是算法比較復(fù)雜,在線應(yīng)用時需消耗較多的硬件資源進行計算。同時,很多方法也需要前期進行大量的實驗,獲取足夠的離線數(shù)據(jù),以保證算法的準確性和可靠性[8]。

3.2 SOH估算技術(shù)專利技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

對申請數(shù)量前13名的共77件發(fā)明專利進行具體解讀和分析可知:SOH估算技術(shù)目前主要有SOH估算方法研究,對使用中的電池的SOH進行修正,實現(xiàn)SOH估算的硬件系統(tǒng)和使用已估算出的SOH進行其他控制等研究方向。根據(jù)表1的數(shù)據(jù),結(jié)合涉及申請數(shù)量前13名的申請人的77件專利內(nèi)容,可分析出我國SOH估算技術(shù)的主要核心技術(shù)及發(fā)展趨勢。

從專利涉及的領(lǐng)域來看,電動汽車和電網(wǎng)儲能是SOH專利涉及的兩個主要領(lǐng)域,其中明確應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域的專利有42件,占54.55%。電動汽車領(lǐng)域目前是我國動力電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域,電池的SOH直接關(guān)系電動汽車用戶的安全性和使用體驗,因此成為了主要的研究領(lǐng)域。

從專利涉及的相關(guān)技術(shù)可知,目前的研究的重點主要是SOH估算方法,目的是提高估算速度和精度。在77件專利中,涉及估算方法的專利有63件,占81.82%;涉及SOH修正的有4件,以SOH為控制指標的專利有6件。目前對于SOH估算方法的研究仍處于初級階段,遠未成熟,因此,以SOH為基礎(chǔ)進行應(yīng)用的專利還很少。目前的研究重點,仍然是如何精確地估算電池的SOH。

專利涉及的SOH估算方法有查表法、特征參數(shù)法和數(shù)據(jù)驅(qū)動法等。查表法有6件,占7.79%,涉及的3個申請人均為汽車企業(yè);特征參數(shù)法有32件,占41.56%,是當前的主要研究方向;數(shù)據(jù)驅(qū)動法有15件,占19.48%,全部為2016年以后申請的專利,其中11件為2018年以后申請的最新專利,可見數(shù)據(jù)驅(qū)動法正在成為SOH估算技術(shù)的一個熱點。

在排名前13的申請人中,有5所高校,涉及專利27件,全部是SOH估算方法;有8家企業(yè),涉及專利50件,關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域有SOH的估算方法,還有對使用中的動力電池SOH進行修正的方法以及可實現(xiàn)SOH估算的硬件系統(tǒng)。涉及SOH修正方法的專利有4件,全部是汽車企業(yè)申請的;涉及SOH估算的硬件系統(tǒng)的專利有21件,也全部是企業(yè)申請的。由此可見,高校關(guān)注的是電池SOH估算方法上的創(chuàng)新,汽車企業(yè)關(guān)心的是在產(chǎn)品上的具體實現(xiàn)。汽車企業(yè)目前是SOH估算技術(shù)研究的主力。

目前,鋰離子電池是動力電池和儲能電池市場的主流。在77件關(guān)于SOH估算技術(shù)的專利中,明確關(guān)于鋰離子電池的有42件,占54.55%。鋰離子電池以較高的比能量和循環(huán)壽命,在占據(jù)市場的同時,也帶來了安全性問題。精確地估算鋰離子電池的SOH可以提高鋰離子電池使用的安全性,降低事故風險。未來除非有新的電池體系出現(xiàn),否則SOH研究領(lǐng)域中,鋰離子電池依然是主流。

在對SOH估算技術(shù)的專利分析中,有一些技術(shù)發(fā)展趨勢值得關(guān)注。在366件專利中,出現(xiàn)了以下方法:使用超聲波儀器分析電池內(nèi)部結(jié)構(gòu),進行SOH估算的方法;通過測量電池內(nèi)部壓力,建立內(nèi)壓與SOH的對應(yīng)關(guān)系,從而實現(xiàn)對SOH的估算的方法;建立電池比熱容與SOH關(guān)系函數(shù),通過測量電池比熱容實現(xiàn)對SOH的估算的方法。這些方法脫離了傳統(tǒng)的通過檢測電池的外部電特性(電壓、電流和溫度)估算SOH的方法,采用的思路和技術(shù)手段,也許會為電池SOH估算開辟研究方向。在最近兩年申請的專利當中,出現(xiàn)了一些多方法融合的估算技術(shù),如將特征參數(shù)法與數(shù)據(jù)驅(qū)動法融合,結(jié)合兩者的優(yōu)點得到更快速精確的估算技術(shù)。檢測手段和估算技術(shù)的豐富,將會給SOH估算帶來變化。

4 結(jié)論

通過對我國SOH估算技術(shù)相關(guān)專利申請的分析,可以得出如下結(jié)論:

目前,對于電池SOH估算技術(shù)比較關(guān)注的主要是高校、汽車企業(yè)和電力系統(tǒng)。3類申請人分別在各自的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姵豐OH估算技術(shù)有不同的需求。在SOH估算技術(shù)涉及的電池類型中,鋰離子電池仍然是主流。電池SOH的研究當前仍然處于起步階段,大部分專利都集中在SOH估算技術(shù)上。如何對電池的SOH進行快速準確估算是目前的主要研究方向,如何應(yīng)用估算出的電池SOH,將是估算技術(shù)成熟后的研究方向。從估算技術(shù)來看,特征參數(shù)法是目前的研究熱點,數(shù)據(jù)驅(qū)動法正在成為未來的熱點。多種估算技術(shù)的融合,新技術(shù)和新思路的引入,將會給電池SOH估算技術(shù)的研究帶來更多的變化。

針對以上的現(xiàn)狀和情況,提出以下幾點建議:

加強高校和相關(guān)企業(yè)之間的合作創(chuàng)新,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,加大投入和研發(fā)力度,實現(xiàn)共同創(chuàng)新,共同突破核心技術(shù),促進我國電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;

研究者應(yīng)進一步加強SOH估算技術(shù)研發(fā),為電動汽車技術(shù)、電池技術(shù)的持續(xù)和良性發(fā)展提供動力和保障;

電動汽車和電池相關(guān)的企業(yè)應(yīng)重視知識產(chǎn)權(quán)信息的研究和分析,結(jié)合自身的特點和優(yōu)勢、相關(guān)的行業(yè)需求來指導(dǎo)自身的發(fā)展方向,制定科學(xué)的開發(fā)策略和發(fā)展規(guī)劃。